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Anordnung zur Regelung der Ankerspannung eines konstant erregten Gleichstrom-Nebenschlusskleinmotors mit Hilfe von Transistoren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Regelung der Ankerspannung eines konstant erreg- ten Gleichstrom-Nebenschlusskleinmotors mit Hilfe von Transistoren und einem Netzanschlusstransformator mit mehreren Sekundärwicklungen zur Stromversorgung des Motors und des elektronischen Steuer- und Re- gelteils. Dieser Steuer-und Regelteil besteht hiebei aus Steuergliedernzur Einstellung einer Sollwertspan- nung entsprechend der jeweils gewünschten Motordrehzahl und aus Regelgliedern zum selbsttätigen Korrigieren der belastungsabhängigen Anker-Istwert-Spannung auf den Spannungssollwert.
Die Regelung erfolgt hiebei mit praktisch rechteckförmigen Spannungsimpulsen von konstanter Frequenz durch Ändern der Impulsbreite.
Es sind Regelanordnungen bekannt, bei denen Gleichstrom-Nebenschlusskleinmotoren mit rechteckförmigen Spannungsimpulsen gesteuert werden. Eine bekannte Regelanordnung steuert durch Verändern der Impulsfrequenz bei konstanter Impulsbreite. Sie verwendet einen monostabilen Multivibrator zum Erzeugen von Impulsen konstanter Breite, ferner einen Schalttransistor zum Vergleichen der an einem Potentiometer eingestellten Sollwertspannung mit der effektiven Ankerspannung. Sinkt die Ankerspannung, so wird der Transistor leitend, seine Kollektorspannung sinkt und bewirkt damit, dass über zwei weitere Transistoren die die Impulse erzeugende Multivibratorschaltung in Tätigkeit tritt. Die Impulse werden dann über weitere Transistoren verstärkt und dem Motoranker zugeführt, der von diesen Impulsen erregt wird.
Hat die Ankerspannung die Sollwertspannung erreicht, so schaltet das System so lange ab, bis die Ankerspannung wieder sinkt. Diese Regelanordnung arbeitet im allgemeinen mit einer Impulsfrequenz zwischen 200 und 700 Impulsen/sec. Ungünstig ist bei dieser Regelanordnung ihr aufwendiger und teurer Aufbau und dass sie für eine genaue Regelung eine konstante Gleichstrombezugsspannung benötigt. Ferner ist sie nur auf Motoren mit kleinen Leistungen beschränkt.
Bei einer weiteren bekannten Regelanordnung wird mit Impulsbreitenveränderung bei konstanter Impulsfrequenz gesteuert. Diese Regelanordnung ist jedoch noch aufwendiger und umständlicher als die vorgenannte Regelanordnung mit veränderbarer Impulsfrequenz. Zur Steuerung des Rechteckimpuls-Erzeugers werden Dreieckimpulse verwendet, die durch eine Multivibratorschaltung gebildet werden. Zum Vergleich einer an einem Potentiometer eingestellten Sollwertspannung mit einer drehzahlproportionalen Gleichspannung ist ein Tachogenerator, ein Vergleichstransistor und eine eigene Gleichstromspeisequelle vorgesehen. Diese Regelanordnung ist noch wesentlich aufwendiger und teurer als die erste.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leistungsstarke, über einen grossen Drehzahlbereich sich erstreckende, möglichst einfache und billige Anordnung zur Regelung der Ankerspannung eines konstant erregten Gleichstrom-Nebenschlusskleinmotors mit Hilfe von Transistoren zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit einer Regelanordnung gelöst, die einen Netzanschlusstransformator mit mehreren Sekundärwicklungen zur Stromversorgung des Motors und des elektronischen Steuer- und Regelteils enthält, sowie Steuerglieder zur Einstellung einer Sollwertspannung entsprechend der jeweils gewünschten
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Motordrehzahl besitzt und Regelglieder zum selbsttätigen Korrigieren der belastungsabhängigen Anker-
Istwert-Spannung auf den Spannungssollwert hat, wobei die Regelung mit Rechteckimpulsen von konstan- ter Frequenz durch Ändern der Impulsbreite erfolgt.
Sie ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung eines Transistors, der praktisch rechteckförmige Spannungsimpulse von variierender Breite, erzeugt, wobei die Impulsbreite von der am
Potentiometer eingestellten Sollwertspannung und der lastabhängigen mittleren Ankerspannung abhängt, eine gleichgerichtete sinushalbwellenförmige Spannung an dessen Basis gelegt ist, die durch Veränderung ihres Grundpotentials die jeweilige Impulsbreite bestimmt. Zur Veränderung des Grundpotentials der Steu- erspannung sind in der Leitung zwischen dem Spannungsteilerabgriffpunkt A und der Basis des vorgenannten
Transistors Mittel vorgesehen, die das an sich gegenüber Null negative Grundpotential der Steuerspannung in den positiven Bereich heben und die den Regelbereich derAnkerspannung derart erweitern, dass der Mo- tor bis auf die Grenzdrehzahl Null einstellbar ist.
Um eine besonders einfache, leistungsstarke Regelanord- nung zu erhalten, sind in Ausgestaltung der Erfindung noch folgende Massnahmen angewendet : a) Als selbsttätige Regelanordnung ist ein als Regelwiderstand arbeitender Transistor vorgesehen, des- sen Innenwiderstand von der an einem Potentiometer eingestellten, an der Basis dieses Transistors geleg- ten Sollwertspannung und von der durch einen Kondensator geglätteten mittleren Ankerspannung des Mo- tors, die an den Emitter dieses Transistors gelegt ist, abhängt. b) Das vom Innenwiderstand abhängige Kollektorpotential dieses Transistors beeinflusst das Potential an einem Spannungsteilerabgriffpunkt A, der zwischen den Kollektor dieses Transistors und einem am
Kollektor dieses Transistors liegenden Widerstand angeordnet ist.
c) Von dem Spannungsteilerabgriffpunkt A ist eine Leitung über eine Zenerdiode, einen Zweiweggleichrichter und einer Sekundärwicklung des Transformators an die Basis des die Rechteckimpulse erzeugenden Transistors gelegt, so dass das Potential der gleichgerichteten sinushalbbogenförmigen Steuerspannung, das die Breite der Rechteckimpulse bestimmt, vom Potential am Spannungsteilerabgriffpunkt A be- einflusst wird. d) Die rechteckförmigen Spannungsimpulse werden in bekannter Weise durch Transistoren verstärkt und bilden als Folge von Impulsen mit einer der Motorbelastung ständig angepassten Breite die Ankerspannung.
Da bei Motorbelastung die Spannung nur soviel sinkt, als zum Einleiten des Regelvorganges notwendig ist, der dann ein weiteres Absinken unterbindet, kann der eingestellte Spannungsmittelwert auch bei wechselnder Belastung konstant gehalten werden.
In einfacher Weise kann die Leistungsstärke der Regelanordnung noch erhöht werden, indem, wie an sich bekannt, eine Drosselspule vor den Motor geschaltet wird, so dass die von den Impulsen in der Drosselspule induzierten Spannungen sich zur jeweiligen Betriebsspannung addieren. Als Überspannungsschutz für den letzten Transistor der Impulsverstärkerstufe ist eine Löschdiode parallel zur Drosselspule und Anker so angeordnet, dass der nach dem Sperren des letzten Transistors der Impulsverstärkerstufe am Ende jedes Impulses fliessende Induktionsstrom über den Motoranker fliesst und so zur Drehmomentbildung beiträgt.
Das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Regelanordnung ist in der Zeichnung dargestellt. Es wird an Hand dieser Zeichnung im folgenden näher beschrieben.
Der Netzanschlusstransformator 1 ist mit seiner Primärwicklung 10 über die Sicherung 11 und den Zweiphasenschalter 12 an eine Wechselstromquelle angeschlossen. Auf der Sekundärseite des Transformators 1 befinden sich vier Wicklungen. Eine Wicklung mit den Anschlüssen 21 und 22 erzeugt mit dem Brückengleichrichter 3 eine zweiweggleichgerichtete, sinushalbbogenförmige Gleichspannung, die einmal über eine Zenerdiode 4 am Spannungsteilerabgriffpunkt A und zum andern an der Basis des Transistors 30 gelegt ist. Von einer weiteren Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 23 und 24 und dem Mittelanschluss 25 wird über das Diodenpaar 5 und 6 das Feld und über die Drosselspule 201, den Drehrichtungsschalter 202 die Ankerwicklung 204 und der Transistor 203 gespeist.
Als Überspannungsschutz für den Transistor 50 ist parallel zur Drosselspule 201 und Anker des Motors 204 eine Löschdiode 205 angeord net.
Am Potentiometer 206 ist eine Sollwert-Spannung stufenlos einstell-und veränderbar. Diese wird der Sekundär-Wicklung mit den Anschlüssen 28 und 29 über die Gleichrichterbrücke 71 und dem Glättungskondensator 711 entnommen.
Beim Reduzieren der Motordrehzahl wird am Potentiometer 206 die Sollwert-Spannung, die der mittleren Ankerspannung annähernd entspricht, vermindert. Beim Erhöhen der Motordrehzahl wird die Sollwertspannung dagegen erhöht.
Die Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 26 und 27 liefert über die Gleichrichterbrücke 70 und den
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Glättungskondensator 701 die negative Verstärkerspannung.
Bei der folgenden Betrachtung des Regelvorganges wird zugrunde gelegt, dass die. Leitung 0 das Poten- tial Null hat. Bekanntlich ist die mittlere Drehzahl des Motors 204 von dessen mittleren Ankerspannung abhängig. Die mittlere Ankerspannung wird durch die am Potentiometer 206 eingestellte Sollwertspan- nung bestimmt. Die Sollwertspannung ist an die Basis des Transistors 203 gelegt. Sie ist bei der gezeig- ten Regelanordnung gegenüber Null positiv, jedoch um den Wert der Steuerspannung des Transistors 203 (beispielsweise zirka 0, 1 V) kleiner als die positive, durch einen Kondensator geglättete mittlere Anker- spannung des Motors 204. Diese ist an den Emitter des Transistors 203 gelegt und zwischen zirka 6 bis
60 V veränderbar.
Der Innenwiderstand des Transistors 203 hängt von der an seiner Basis liegenden Sollwertspannung ab und von der mittleren Ankerspannung, die an seinem Emitter liegt und vom Drehmoment des Motors be- einflusst wird. Bei grosser Drehzahl und grossem Drehmoment ist der Innenwiderstand gross, bei kleiner
Drehzahl und kleinem Drehmoment klein. Bei kleiner Drehzahl und grossem Drehmoment und bei grosser
Drehzahl und kleinem Drehmoment sowie bei allen möglichen Zwischenstufen ergibt sich ein zwischen diesen Extremwerten liegender Innenwiderstand.
Ist der Innenwiderstand des Transistors 203 gross, so ist auch der Spannungsabfall zwischen Emitter-
Kollektor gross und das Potential am Kollektor stark negativ. Da das Potential des Widerstandes 207 eben- falls negativ ist, so ist auch das Potential am Spannungsteilerabgriffpunkt A stark negativ. Ist hingegen der Innenwiderstand des Transistors 203 klein, so ist auch das negative Potential am Kollektor klein und damit wird auch das Potential am Spannungsteilerabgriffpunkt A kleiner, d. h. die Spannung am Punkt A verschiebt sich nach Null hin.
Diese Spannungsänderung am Punkt A wirkt sich auf den Steuervorgang des Transistors 30 aus, da zwischen dem Punkt A und der Basis des Transistors 30 die um den Wert der Zenerspannung nach Plus versch'obene gleichgerichtete sinushalbbogenförmige Steuerspannung liegt. Um ein einwandfreies Schalten und Steuern des Transistors 30 zu erhalten, müssen bei der Wahl der Zenerdiode folgende Bedingungen beachtet werden.
Das Grundpotential der Steuerspannung muss kleiner als die Zenerspannung sein und die Summe aus Steuerspannung und Abgriffsspannung zwischen Punkt A und Null muss grösser als die Zenerspannung sein.
Sind diese Bedingungen erfüllt, so wird das Grundpotential der Steuerspannung soweit in den positiven Bereich gehoben, dass nur noch die Spitzen der sinushalbbogenförmigen Steuerspannung in den negativen Bereich hinein-und über die Schaltspannung des Transistors 30 hinausragen und ein Öffnen des Transistors 30 bewirken.
Bei grosser Motordrehzahl und grosser Motorbelastung ist das positive Grundpotential der an der Basis des Transistors liegenden Steuerspannung klein, die sinusförmigen Spannungshalbbögen kommen weit in den negativen Bereich und oftnen den Transistor 30 lange. Die Rechteckimpulse am Kollektor des Transistors sind breit.
Bei kleiner Motordrehzahl und kleiner Motorbelastung ist das positive Grundpotential der an der Basis des Transistors 30 liegenden Steuerspannung gross, die sinusförmigen Spannungshalbbögen kommen nur wenig, d. h. nur mit dem nahe dem Scheitel liegenden Teil, in den negativen Bereich. Der Transistor 30 wird dadurch nur kurz geöffnet, die Impulse am Kollektor des Transistors 30 sind schmal.
Bekanntlich kann durch entsprechende Wahl des Transistors 30 ein sauberes Schalten, d. h. Impulse mit grosser Flankensteilheit, erreicht werden, so dass praktisch die am Kollektor entstehenden Impulse als rechteckförmig bezeichnet werden können.
Diese rechteckförmigen Impulse werden in an sich bekannter Weise durch die Transistoren 40 und 50 verstärkt. Diese verstärkte, aus einzelnen Rechtecken sich zusammensetzende Spannung, die der Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 25 und 23/24 entnommen ist, wird an den Anker des Motors 204 geführt und ergibt die mittlere Ankerspannung, die für die jeweilige Drehzahl des Motors massgebend ist.
Sinkt durch grössere Belastung die mittlere Ankerspannung, so werden nach dem vorbeschriebenen Regelvorgang die Impulse breiter und die mittlere Ankerspannung steigt wieder auf den Wert, den sie vor der Belastungserhöhung des Motors hatte.
Sinkt hingegen die Belastung, so erhöht sich die mittlere Ankerspannung, da der Motor durch das angeschlossene Feld 200 als Generator wirkt. Der Regelvorgang verläuft nun umgekehrt, die Impulse werden schmäler und die mittlere Ankerspannung sinkt damit wieder auf den ursprünglichen Wert ab.
Wie schon erwähnt, wirkt sich eine Belastungsänderung auf die Ankerspannung nicht voll aus, sondern nur soweit, als zum Einleiten des Regelvorganges notwendig ist, der dann eine weitere Spannungsänderung unterbindet.
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Eine Veränderung der Sollwertspannung am Potentiometer 206 bewirkt den gleichen Regelvorgang wie eine Belastungsänderung ; eine Erhöhung der Sollwertspannung wirkt wie eine Erhöhung der Belastung, eine Verminderung der Sollwertspannung wirkt wie eine Verminderung der Belastung des Motors 204.
Vor dem Motor ist in bekannter Weise eine Drosselspule 201 geschaltet, die die Differenz zwischen Betriebs- und mittlere Ankerspannung übernimmt und eine Gegenspannung erzeugt. Am Ende jedes Impulses, in dem Moment also, in dem der Transistor 50 schlagartig sperrt - entsteht in der Drosselspule eine Spannung, die sich zur Betriebsspannung addiert. Damit diese Spannung dem Transistor 50 nicht gefährlich werden kann, wird parallel zur Drosselspule 201 und zum Anker eine Löschdiode 205 zur Überspannungsunterdrückung angeordnet, wodurch der nach dem Sperren des Transistors 50 fliessende Induktionsstrom zwangsläufig über den Anker des Motors 204 geleitet wird und so zur Drehmomentbildung beiträgt.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Anordnung zur Regelung der Ankerspannung eines konstant erregten Gleichstrom-Nebenschlusskleinmotors mit Hilfe von Transistoren und einem Netzanschluss-Transformator mit mehreren Sekundärwicklun- gen zur Stromversorgung des Motors und des elektronischen Steuer-und Regelteils sowie mit Steuergliedern zur Einstellung einer Sollwertspannung entsprechend der jeweils gewünschten Motordrehzahl und mit Regelgliedern zum selbsttätigen Korrigieren der belastungsabhängigenAnker-Istwert-Spannung auf den Spannungssollwert, wobei die Regelung mit Rechteckimpulsen von konstanter Frequenz durch Ändern der Impulsbreite erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung eines Transistors (30), der praktisch rechteckförmige Spannungsimpulse von variierender Breite erzeugt, wobei die Impulsbreite von der am Potentiometer (206)
eingestellten Sollwert-Spannung und der lastabhängigen mittleren Ankerspannung abhängt, eine gleichgerichtete sinushalbbogenförmige Spannung an dessen Basis gelegt ist, die durch Veränderung ihres Grundpotentials die jeweilige Impulsbreite bestimmt.